книги из ГПНТБ / Марочкин, В. Н. Прочность фрикционного контакта учеб. пособие по расчету узлов трения

Совершенно иной механизм разрушения заложен в теории С. Н. Журкова. По этой теории разрушение твердого тела — временный необратимый процесс (а не критическое состоя­ ние), вызван флуктуациопным путем за счет последователь­ ных разрывов междуатомных связей. Здесь приложенное внешнее напряжение способствует снижению потенциаль­ ного барьера, а разрушение материала происходит за счет тепловых флуктуаций. Из этой теории «долговечность» под нагрузкой составляет

где U{a) —энергия межатомных связей, т(0)= 10~13 сек — по­ стоянная величина, близкая к периоду собственных тепловых колебаний атомов в твердом теле, р — показатель несовершен­ ства строения материала, Т — абсолютная температура, k — постоянная Больцмана. Эта теория применительно к полиме­ рам получила развитие в работах Г. М. Бартенева, А. И. Ель­ кина, В. В. Лаврентьева. В последнее время И. В. Крагельский высказал мысль в одном из докладов о роли приложен­ ных напряжений к повышению потенциального барьера, при­ няв

Термофлуктуационную модель Журкова для расчета интен­ сивности изнашивания полимеров применил С. Б. Ратнер.

Меньшее распространение получили тепловая модель изно­ са твердых тел И.. М. Любарского и Л. С. Палатник, по кото­ рой изнашиванию поверхностей предшествует разогрев метал­ ла до некоторого критического значения, модель Т. Н. Лоладзе, отражающая роль диффузии на взаимное растворение и износ отдельных компонентов металлических сплавов, ста­ тистическая модель X. Б. Кордонского, устанавливающая связь между скоростью износа и долговечностью узла трения, модель Г. М. Харача, рассматривающая износ как детермини­ рованный процесс, связанный со случайными явлениями, мо­ дель И. Б. Тартаковского, рассматривающая интенсивность изнашивания как функцию линейных отклонений изношенных деталей от первоначального вида и некоторые другие модели изнашивания твердых тел. В приведенных моделях, как и в механизме термофлуктуационного механизма разрушения твердых тел при трении, отсутствует оценка размеров изно­ шенных частиц материала.

10

В механизме разрушения, связанном с ролью поверхност­ ной энергии, предполагалось, что вся энергия нагружения рас­ ходовалась на образование новых поверхностей; потерн от рассеивания энергии не учитывались.

В модели Девиса (1957) была сделана попытка преодо­ леть ограничения рассмотренных работ. Предполагалось, что поверхности сопряженных тел при трении, получая одинако­ вые порции энергии, ^ накапливают ее в отдельных доменах (хаотически расположенных в контактной зоне) до критиче­ ского значения, а затем происходит разрушение материала с отделением частиц износа. При этом предполагается, что только 10^6 (?) всей затраченной энергии «оседает» в доме­ нах и нужно минимум 10 доменов для образования частицы износа. Распределение частиц износа по этой теории — лога­ рифмически — нормальное.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать сле­ дующий вывод. Среда контакта, наделенная дефектами строе­ ния, обладает двойственной дискретно-континуальной струк­ турой. Такая среда, воспринимая возбуждение от соударения отдельных выступов поверхностей, способствует рассеянию упорядоченного волнового возмущения в неупорядоченное —- тепловое с последующим рассеянием подводимой к контакту энергии и мощности. Подобное преобразование и рассеяние энергии и мощности встречает сопротивление поверхностных слоев, которое вызывает перестройку в объемном строении материалов, приводящую в конечном итоге к разрушению контакта и износу поверхностей.

В связи с этим можно считать, что величина силы сопро­ тивления при трении обусловлена затратой удельной работы внешними силами при преобразовании контакта и рассеянии энергии иа заданном смещении поверхностей.

Глава вторая

ГЕОМЕТРИЯ И СТРУКТУРА КОНТАКТА

2.1. Геометрическое строение контакта

Физические тела отделяются друг от друга границей — поверхностью раздела. Кроме геометрического определения поверхности 'твердого тела как границы, можно дать физиче­ ское определение поверхности как некоторого тонкого (обыч­ но в несколько микрон) переходного слоя, отделяющего дан-

11

мое тело от окружающей среды: смазок, загрязнений и т. д. Переходный слой возникает в результате обработки поверх­ ности и процесса трения. Физико-механические свойства это­ го слоя иные по сравнению с исходными свойствами основ­

ного материала.

В поверхностном слое локализуются все явления, сопро­ вождающие процесс трения твердых тел. Характер этого про­ цесса, износостойкость поверхностей сопряженных деталей машин при трении зависят от геометрического строения по­ верхности тела и физической структуры переходного слоя.

На каждой поверхности всегда можно выделить отдельные впадины и выступы. При изучении геометрического строения поверхности различают профиль в продольном и в поперечном направлениях по отношению к вектору скорости скольжения тела при трении.

Общий вид поверхности (на участках с площадью более 1 мм2) показывает, что ее форма может быть как выпуклой или вогнутой, так п плоской. Форма поверхности изделия и ее размеры определяются технологическими требованиями, предъявляемыми к тому или иному узлу трения.

Исследование рельефа поверхности показывает, что от­ дельные выступы располагаются дискретно п имеют различ­ ною конфигурацию.

Чем обусловлено различие геометрической формы поверх­ ности? При силовом воздействии в местах касания поверхно­ стей возникают местные небольшие деформации как на ее по­ верхности, так и на некоторой глубине от нее — в объеме пе­ реходного деформированного слоя. При снятии силового воз­ действия происходит частичное восстанавливанне первона­ чальной формы поверхности — так называемое упругое вос­ становление.

Пластическая же составляющая деформации поверхности остается. Величина остаточной деформации зависит от усло­ вий взаимодействия инструмента и детали в месте контакта.

Различают три основных вида поверхностей: точеную (по­ лучаемую резцом), шлифованную (от воздействия свободных или закрепленных частиц — абразивов) и полированную (от обработки поверхности специальными составами). Виды по­ верхностей и характер неровностей представлены па рис. 1 и 2.

При точении поверхность имеет вид одинаковых по высоте, вытянутых в одном направлении гребней, разделенных между собой геометрически равновеликими каналами впадин.

При шлифовании расположение выступов на 'поверхности

12

является хаотическим. Однако располагаются все выступы в одном направлении — в направлении, в котором происходил процесс шлифования. Выступы в продольном направлении име­ ют размеры, которые в несколько раз превосходят поперечные размеры.

Рис. 1 Рис. 2

При тщательной полировке и доводке поверхностей послед­ ние приобретают зеркальный вид. Объясняется это тем, что вследствие нагревания происходит растекание отдельных вер­ шин, образуются плоские уступы с небольшими углублениями.

Непосредственное визуальное или микроскопическое рас­ смотрение рельефа и профиля поверхности не позволяет пост­ роить ее геометрическую картину. При визуальном наблюде­ нии трудно выделить отдельные неровности и сравнивать их между собой. При микроскопическом исследовании рассмат­ риваемое поле является очень малым и сравнительная оценка является случайной.

Геометрическую характеристику поверхностей получают на профилограммах — графиках, снимаемых на профилогра­ фах-профилометрах с большим увеличением (до 200 000 раз). Для получения компактной картины размеры увеличений по горизонтали и вертикали различные.

Из анализа профилограмм следует, что средняя высота от-.

13

дельных выступов изменяется в широких пределах — от ты­ сячных долей микрона до тысячи и более микрон.

Сравнение профилей продольной и поперечной шерохова­ тостей показывает, что чем тоньше обработка поверхности, тем меньше отличаются между собой отдельные профили. Это сравнение профилей в продольном и в поперечном направле­ ниях играет весьма важную роль в вопросах геометрического моделирования отдельных выступов.

Из представленных профилограмм видно, что не только одни выступы отличаются между собой. Различную конфигу­ рацию имеют и углубления между выступами поверхностей.

Для хрупких материалов (хрупкого состояния) углубле­ ния имеют грубую форму — следы выкрошенных мест по гра­ ницам кристаллических зерен. Для вязких материалов (вязко­ го состояния) углубления имеют вид относительно гладких расщелин.

Профилограммы, полученные с большим увеличением, по­ зволяют отчетливо увидеть многочисленные особенности, ха­ рактерные как для исходных поверхностей, так и после трения. Однако, как правило, профилограммы имеют искаженный масштаб по вертикали и по горизонтали. Вследствие этого и геометрический профиль, четко рисующий' отдельные неров­ ности на нем, дает искаженную картину поверхности.

Искаженная картина па профилограммах может вызвать неправильные представления о характере взаимодействия по­ верхностей при исследовании механизма протекания процес­ са трения. Представляет интерес построить неискаженные профили поверхностей протяженностью, равной базовой длине. Такие реальные профили представлены на рис. 3.

Рис. з

Из приведенных фигур видно, что профили шлифованных поверхностей резко отличаются своей «неупорядоченностью» от соответствующих профилей, полученных точением (строга­ нием). Профили же полированных поверхностей мало иска­ жены (или почти не искажены). Неискаженные профили дают верную геометрическую картину поверхностей.

14

Исследования профилограмм показывают, что вершины от­ дельных выступов располагаются на различных уровнях по­ верхности тела. Расположение выступов на поверхности носит закономерный характер, который определяется видом и чис­ тотой обработки.

Средние значения углов ß наклона реальных профилей раз­ лично обработанных поверхностей приведены в таблице 1.

Из профіилограмм следует, что для шлифованной поверх­ ности закономерность роста числа выступов с глубиной иная, чем для точеной или строганой поверхностей.

Для шлифованной поверхности характерным является не­ прерывный рост числа выступов с глубиной. При этом, если для средних глубин рост достигает максимального значения, то для'больших глубин он минимальный.

Совершенно иная картина наблюдается в закономерности расположения выступов у точеной поверхности. Здесь с глуби­ ной почти не наблюдается роста числа выступов.

Указанное различие в закономерностях изменения числа выступов с глубиной можно объяснить тем, что при шлифова­ нии неровности в средней (в переходной) своей части имеют негладкие очертания. Эти мелкие неровности могут быть вос­ приняты как новые выступы. Для точеных (строганых) по­ верхностей этой особенности в геометрическом строении от­ дельных выступов не наблюдается.

Для полированных поверхностей изменения числа высту­

15

пов с глубиной носят принципиально иной характер, чем для точеной или шлифованной поверхностей.

Если для точеной или шлифованной поверхностей рост чис­ ла выступов с глубиной усиливается, то для полированных по­ верхностей рост ослабляется. Этот результат объясняется тем, что полированные поверхности имеют более спокойный про­ филь по сравнению с точеными и шлифованными поверхно­ стями.

Полученные кривые распределения выступов по высоте оп­ ределяются сложными аналитическими зависимостями.

Пользоваться подобными аналитическими зависимостями при исследовании процесса трения и изнашивания очень сложно.

С другой стороны, процесс контактирования двух тел про­ исходит при незначительных сближениях поверхностей.

Именно эта часть профиля поверхности принимает непо­ средственное участие при взаимодействии твердых тел. При малых сближениях поверхностей изменение числа выступов с глубиной может быть представлено линейной зависимостью

Таблица 2

Средние значения коэффициента к.

Из таблицы следует, что для гладких поверхностей (до 8— 9 класса чистоты) значения кх более высокие, чем для гру­ бых поверхностей. Для поверхностей чистоты выше 9 класса намечается обратная зависимость.

Профили грубых поверхностей в своей верхней части «рва­ ные», , и рост' площади контакта при сближении поверхностей

~ 4 т с - ' а ( * )Е{т)Е(п)'

где а(х) — среднеквадратическое отклонение, Е(т) и Е(п) — математическое ожидание чисел максимумов и пересечений профиля со средней линией. По этой формуле И. В. ДунинБарковский рекомендует обрабатывать поверхности, получен­ ные при определенных режимах шлифования.

Выбор модели отдельного выступа является существенным первым шагом при исследовании закономерностей трения и изнашивания поверхностей. Согласно общим принципам моде­ лирования, выбранная модель должна наиболее близко ха­ рактеризовать геометрические параметры отдельных выступов и наиболее правильно отражать процесс взаимодействия на пятне контакта.

Геометрические исследования отдельных выступов показы­ вают, что следует различать моделирование двух видов — мо­ делирование нормальное к поверхности и моделирование ка­ сательное к поверхности. В дальнейшем модели, полученные при этих видах моделирования, будут соответственно называть «нормальной» и «касательной» моделями.

Рис. 4

Сущность моделирования «нормальной» моделью заключа­ ется в том, что отдельные выступы на поверхности заменяются правильными осесимметричными фигурами с осью симметрии, нормальной к моделируемой поверхности. Нормальными мо­ делями являются цилиндр, сфера (сферический сегмент), ко­ нус (усеченный конус), пирамида (усеченная пирамида), эл­ липсоид, параболоид и другие (рис. 4а).

Сущность моделирования «касательной» моделью заключа­ ется в том, что отдельные неровности на поверхности заменя­ ются правильными вытянутыми вдоль моделируемой поверх?

18

ности фигурами с осью параллельной этой поверхности. Каса­ тельными моделями являются цилиндр, призма (трехгранная, четырехгранная), гиперболический параболоид и другие (рис. 46).

(Для отличия цилиндрической касательной модели от ци­ линдрической нормальной модели последнюю называют «стержневой» моделью).

Моделирование нормальной моделью эффективно отража­ ет геометрические характеристики выступов в условиях, когда поперечная и продольная шероховатости соизмеримы между собой и когда действие касательной к контакту нагрузки мало влияет на осесимметричное напряженное состояние, возника­ ющее при взаимодействии поверхностей в процессе трения.

Моделирование касательной моделью хорошо отражает ге­ ометрические характеристики выступов в условиях, когда по­ перечная и продольная шероховатости несоизмеримы между собой и когда действием касательной нагрузки нельзя прене­ бречь вследствие явно выраженного характера плоской дефор­ мации.

Каждая из приведенных моделей имеет свою, ей прису­ щую геометрическую характеристику. Например, для «стерж­ невой» модели характерным геометрическим параметром яв­ ляется площадь или, что то же, диаметр основания модели, для сферической модели таким характерным параметром яв­ ляется радиус кривизны вершины модели, для конической — угол конусности и т. д.

Подобные геометрические характеристики .имеют и модели при касательном моделиров-ании неровностей. Например, для цилиндрической модели характерным геометрическим пара­ метром является радиус основания цилиндра, для призматиче­ ской — угол между боковым ребром и высотой основания призмы и т. д.

Однако анализ взаимодействия поверхностей показывает, что поверхностные физико-мехапнческие явления при трении в полной мере могут быть описаны двумя комбинированными моделями (рис. 5): . . . . .................

а) моделью, 'основанием которой является прямоугольныйпараллелепипед, переходной частью — четырехгранная приз­ ма, а вершиной — сопряженная с ней цилиндрическая поверх­ ность;

б) моделью, основанием которой является круглый ци­ линдр, переходной частью — усеченный конус, а вершиной — сопряженный с ней шаровой сегмент.